¿Es la placa base suficientemente rígida?

¿Por qué son tan importantes los elementos de fijación?

Los elementos de fijación desempeñan un papel crucial en la integridad y seguridad de los elementos estructurales y no estructurales. Por eso se han desarrollado normas específicas, como la EN1992-4. Estas abordan los desafíos de las uniones de acero al hormigón y proporcionan un método de diseño fiable que garantiza una transmisión segura de cargas entre los elementos de acero y hormigón. La EN1992-4 cubre varios tipos de elementos de fijación (elementos de fijación con cabeza hormigonados in situ, elementos de fijación mecánicos postinstalados y adheridos), así como diferentes categorías de acciones.

El diseño de los elementos de fijación para uso en hormigón

El diseño de los elementos de fijación en hormigón, según la EN1992-4, para cargas estáticas/cuasiestáticas implica múltiples verificaciones normativas:

Fig. 1  Verificaciones normativas para elementos de fijación a tracción

Fig. 2 Verificaciones normativas para elementos de fijación a cortante

Fig. 3 Verificaciones normativas para tener en cuenta la interacción de cargas de tracción y cortante

El proceso de diseño, tal como se describe en la Norma (Fig.  1 - Fig.  3), requiere un enfoque detallado para garantizar que se satisfagan todas las verificaciones normativas pertinentes. Cada tipo de elemento de fijación necesita consideraciones específicas. Por ejemplo, los anclajes mecánicos se basan en el enclavamiento mecánico, mientras que los anclajes adheridos dependen de las propiedades adhesivas del material de unión. El proceso de diseño debe tener en cuenta estas diferencias para garantizar una unión fiable.

Examinemos más de cerca una de estas verificaciones normativas. Tomaremos como ejemplo la resistencia característica del elemento de fijación, o de un grupo de elementos de fijación en el caso de fallo del hormigón por cono (Fig.  4), que muestra lo sofisticado que es el modelo de diseño:

Fig.  4 La resistencia característica del elemento de fijación, o de un grupo de elementos de fijación en el caso de fallo del hormigón por cono

Hay cuatro factores incluidos en la ecuación para tener en cuenta efectos como el desconchamiento de la capa superficial, la perturbación de la distribución de tensiones, la presencia de armadura complementaria, entre otros. Esto revela que no solo las propiedades de los materiales de construcción (acero, hormigón), sino también otros factores, como la geometría del bloque de hormigón, la cuadrícula de anclajes, la profundidad de empotramiento, la armadura complementaria, etc., influyen en la resistencia final, es decir, en el modo de fallo determinante para la combinación de cargas dada. Esto demuestra que el diseño de uniones de acero al hormigón puede ser bastante tedioso y complejo cuando se realiza manualmente, ya que implica numerosos cálculos e iteraciones para optimizar el diseño.

IDEA StatiCa Connection permite al usuario diseñar uniones de acero al hormigón utilizando elementos de fijación mecánicos postinstalados o anclajes hormigonados in situ con placas arandela. Dependiendo del tipo de anclaje, hay muchas verificaciones normativas que calcular. La mayoría de las verificaciones normativas enumeradas en las Fig.  1 - Fig.  3 se calculan en IDEA StatiCa Connection en función de los datos introducidos por el usuario y los parámetros indicados en la norma. Algunas de ellas no se proporcionan ya que requieren factores específicos del producto, que se basan en ensayos realizados con una configuración normalizada y evaluados según las especificaciones técnicas armonizadas aplicables. Estos factores se pueden encontrar en aprobaciones técnicas como la Evaluación Técnica Europea (ETE). Además de los factores necesarios para el cálculo de la resistencia de cálculo, hay otras características importantes incluidas en la aprobación, como la distancia mínima al borde c_min, la separación mínima entre anclajes s_min, la altura mínima del bloque de hormigón h_min, los coeficientes de seguridad y más. La información sobre las verificaciones normativas que no se proporcionan se describe en la pestaña de resultados como se muestra en la Fig.  5.

Fig.  5 Una lista de verificaciones normativas que requieren características específicas del producto

La rigidez de la placa base de acero

Además de una lista de verificaciones normativas requeridas, la norma especifica reglas adicionales que deben cumplirse. Entre ellas se encuentran las reglas para la derivación de las fuerzas que actúan sobre los elementos de fijación. Cuando un momento flector y/o una fuerza de tracción actúa sobre una placa de anclaje, de manera similar a una unión de acero con acero, pueden surgir fuerzas de palanca. Estas fuerzas deben considerarse en el diseño de la placa base, ya que esto conducirá a mayores fuerzas de tracción en los anclajes. Este requisito se describe en el Apartado 6.1 (4) y se muestra en la Fig. 6.1 b de la EN1992-4:

Fig.  6 Apartado 6.1 (4) de la EN1992-4

Fig.  7 Amplificación de las fuerzas de tracción que actúan sobre un elemento de fijación debido a las fuerzas de palanca C_pr

La norma proporciona orientación sobre cómo calcular las cargas de tracción de cálculo que actúan sobre un elemento de fijación, siempre que la placa de anclaje sea suficientemente rígida, lo que significa que es válida la hipótesis de distribución lineal de deformaciones (como en la teoría de vigas). Sin embargo, si no se cumplen los requisitos establecidos en el Apartado 6.2.1, se tiene en cuenta el comportamiento de deformación elástica de la placa base de acero. Este efecto se considera en IDEA StatiCa Connection, ya que el cálculo mediante el método CBFEM permite capturar el comportamiento a flexión de la placa base, incluyendo la rigidez del perfil adjunto, las soldaduras y el relleno de cimentación (modelado mediante el modelo de subsuelo de Winkler). En la siguiente sección, examinaremos más de cerca la influencia del espesor de la placa en las fuerzas de tracción resultantes en los anclajes, las tensiones equivalentes en el pilar y las tensiones de compresión en el bloque de hormigón.

Algunos ejemplos en IDEA StatiCa

Veamos algunos ejemplos que he preparado usando IDEA StatiCa

Aquí, la disposición de los anclajes (dos filas con tres anclajes), la profundidad de empotramiento, las dimensiones del bloque de hormigón, así como las propiedades de los materiales, permanecen iguales para ambos casos investigados. Lo que se ajustará es el espesor de la placa base (10, 20 y 30 mm), y los efectos de carga aplicados – para el caso n.º 1, se trata de una fuerza de tracción donde N = 100 kN, y para el caso n.º 2, se trata de una fuerza de compresión donde N = -100 kN. Estas hipótesis nos permitirán verificar fácilmente la influencia de los parámetros en los resultados, es decir, las fuerzas axiales de los elementos de fijación, la tensión equivalente en el pilar y la tensión de compresión en el hormigón. El modelo se muestra en la Fig. 8 a continuación.

Fig.  8 Modelo en IDEA StatiCa Connection

Empecemos con el caso n.º 1, aquí están los resultados para los ejemplos investigados:

Fig.  9 Caso n.º 1, espesor de la placa base = 10 mm, tensiones equivalentes

Fig.  10 Caso n.º 1, espesor de la placa base = 10 mm, fuerzas de tracción en los anclajes

Fig.  11 Caso n.º 1, espesor de la placa base = 20 mm, tensiones equivalentes

Fig.  12 Caso n.º 1, espesor de la placa base = 20 mm, fuerzas de tracción en los anclajes

Fig.  13 Caso n.º 1, espesor de la placa base = 30 mm, tensiones equivalentes

Fig.  14 Caso n.º 1, espesor de la placa base = 30 mm, fuerzas de tracción en los anclajes

Tab. 1 Un resumen de los resultados para el caso n.º 1 (N = 100 kN)

Como era de esperar, al aumentar el espesor de la placa, las fuerzas de palanca disminuyen; con t_fix = 30 mm, no hay fuerzas de palanca presentes y la carga se distribuye uniformemente entre todos los anclajes del grupo. Comparando las fuerzas para los anclajes más solicitados del grupo, hay una diferencia del 67% entre una placa base elástica (t_fix = 10 mm, N_Ed,1 = 27,9 kN) y una placa base rígida (t_fix = 30 mm, N_Ed,1 = 16,7 kN). La consideración del comportamiento a flexión de la placa base de acero también afecta a la distribución de tensiones en las placas adjuntas, así como en las soldaduras que conectan los elementos. Esto muestra la importancia que tiene la verificación de la rigidez de la placa base en el proceso de diseño.

Los resultados para el caso n.º 2 muestran la influencia del espesor de la placa en la distribución de la tensión de compresión en el hormigón:

Caso n.º 2, espesor de la placa base = 10 mm, tensiones equivalentes, tensión en el hormigón

Fig.  16 Caso n.º 2, espesor de la placa base = 20 mm, tensiones equivalentes, tensión en el hormigón

Fig.  17 Caso n.º 2, espesor de la placa base = 30 mm, tensiones equivalentes, tensión en el hormigón

Tab. 2 Resumen de los resultados para el caso n.º 2 (N = -100 kN)

Se puede observar que al aumentar el espesor, la tensión se distribuye de manera más uniforme, lo que a su vez reduce la tensión de compresión máxima en el hormigón.

Conclusión

Con IDEA StatiCa Connection, el usuario puede modelar con precisión el comportamiento a flexión de la placa base de acero y verificar su impacto en la unión modelada. El software utiliza el método CBFEM para simular la deformación de la placa base bajo los efectos de carga dados. Esto permite a los ingenieros visualizar la distribución de fuerzas e identificar posibles problemas relacionados con el comportamiento elástico de la placa base de acero, o confirmar la corrección de la hipótesis de distribución lineal de deformaciones establecida en la EN1992-4. Es una parte crucial del proceso de diseño para las uniones de acero al hormigón, ya que incluso las placas base relativamente gruesas pueden no cumplir los requisitos de una placa base rígida, y omitir esta verificación podría llevar a una subestimación de las fuerzas de tracción en los anclajes, como se muestra en los ejemplos anteriores.

…una cosa más

En la última versión de nuestro software, Versión 24.0, se ha implementado una versión beta de un enlace directo entre IDEA StatiCa Connection y Detail. Esto permite la verificación de zapatas de hormigón armado (ELU) utilizando Detail 3D (basado en el método CSFM). En nuestro centro de soporte, puede encontrar un tutorial paso a paso sobre cómo intercambiar datos entre ambos programas, así como cómo ejecutar el cálculo en nuestra aplicación Detail.

Fig. 18 Enlace BIM entre IDEA StatiCa Connection y Detail (versión beta)

Más recursos

Puede leer más sobre el tema aquí:

Verificación normativa de anclajes (EN)

Importación de anclajes desde Connection a Detail (BETA)

IDEA StatiCa Detail – Diseño estructural de discontinuidades 3D en hormigón | IDEA StatiCa

Si desea leer más sobre la última versión, consulte las notas de la versión para todos los detalles. 

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